拟南芥

拟南芥（Arabidopsis thaliana），是一种广泛分布于亚洲、欧洲以及北非地区的小型开花植物。从分类地位上讲，它属于十字花科(Brassicaceae) 鼠耳芥属(Arabidopsis)。作为近年来最为广泛应用的模式植物，拟南芥在分子遗传学、植物学以及农业科学的研究中发挥了重要的作用，被称为植物中的果蝇，是目前公认的五大模式生物之一。拟南芥基因组测序已于2000年由国际合作完成，也是第一种完成全基因组测序和分析的植物。

拟南芥是二年生草本植物，高7～40厘米。基生叶有柄呈莲座状，叶片倒卵形或匙形；茎生叶较小，无柄，披针形或线形。叶片表面覆盖有单细胞表皮毛。总状花序顶生，花朵直径约3mm，花瓣4片，白色，匙形。长角果线形，长0.5～2厘米，每个含20～30粒种子。根分为主根和侧根，可容土壤细菌共生。春型拟南芥萌发后3周左右就可开花，能在6周内完成一个世代。严格自花传粉（图1）。

拟南芥生活史与一般的开花植物无异：减速分裂形成的大小孢子分别形成雌雄配子体，即胚囊和花粉。胚囊经过双受精的过程，受精卵与受精极核分别发育成胚和胚乳。

2拟南芥研究的主要策略

在拟南芥研究中，使用最多的是遗传学研究策略，包括正向遗传学和反向遗传学。正向遗传学遵循的是从突变体表型分析到基因功能认识的思维方式，它首先关注的是具有某种缺陷的突变体。譬如，如果要研究与植物抗旱机理有关的基因调控过程，可以先用化学、物理或者生物的方法将野生型拟南芥诱变，然后在干旱胁迫的条件下进行突变体的筛选。如果在诱变群体后代中出现了对干旱条件反应不同于野生型的个体(例如比野生型更加抗旱或者不抗旱的植物)，这种个体就是突变体。这种植物对干旱的不同反应可能就是因为突变体中某一个基因遭破坏后所造成，而这个基因必定与植物的抗旱机制有关。

在得到了这样的一个突变体之后，可以对其中的突变基因进行定位和克隆。在获得了基因序列后，可以更深入地了解这个基因的功能，并分析它是以何种形式影响了植物的抗旱途径以及与抗旱途径中其他相关基因的关系。

对正向遗传学来说，突变表型是所有研究工作的起点。如果一个基因突变之后没有显著的表型改变，那它的突变体也就很难在筛选过程中被发现。因此，正向遗传学不适用于研究这类基因。事实上，拟南芥中有许多基因都存在功能上的冗余性，即某些基因在功能上可以部分互相替代，其中一个基因的突变往往不会产生十分明显的表型变化。这些基因在蛋白质序列上也往往会存在着很高的同源性，通常把它们称为一个基因家族。据估计，拟南芥有65% 的基因可以归并到某个家族中[9]，这意味着相当一部分基因可能无法通过正向遗传学来揭示它们的主要功能，需要反向遗传学的介入。

反向遗传学是在已知某个特定基因序列的前提下去探索这个基因的功能。例如，可以利用已知的基因序列构建该基因的反义RNA或者双链RNA结构，用这样的构建去转化野生型植物。这种构建在植物中有可能干扰其内源基因的表达，甚至干扰该基因所在的家族基因的表达。根据一些基因受到干扰后出现的表型，可以推测这个基因或者与其同源的基因的功能。此外，反向遗传学研究还可以用在不同时空表达的启动子来驱动已知序列基因的表达，研究该基因过量表达或者时空异位表达时的植物表型，推测该研究基因的功能。

3拟南芥研究的一些重要发现

鉴于拟南芥在遗传操作上所具有的优势，它广泛应用于植物整个生命活动各个过程的研究，取得了一系列重要发现。在植物形态建成研究中，经典的例子是花发育的ABC 模型[10~12](图1)。在结构上，拟南芥的花与大多数开花植物相似，由四轮基本的花器官组成：从外向里分别为花萼、花瓣、雄蕊及雌蕊。ABC 模型中的A、B、C 分别指的是控制不同花器官发育的三大类基因，其中A类基因决定了花萼的特征；A类+B类基因共同作用决定了花瓣特征；B 类+C 类基因共同作用决定了雄蕊特征； C 类基因单

独作用决定了雌蕊心皮的特征，同时也终止花器官在第四轮形成之后继续分化[图1(A)]。在野生型花器官中，这三类基因的表达产物大体按照它们所各自决定的花器官位置，分布于相应的区域。当其中某个基因发生突变之后，它所控制的区域则会发育出其他类型的花器官。例如，在B 类基因的突变体中(B 类基因功能消失)，第二轮的花瓣区域由于只受到A类基因的调控，会发育出与第一轮相同的花萼，第三轮的雄蕊也会相应地转化成第四轮的心皮组织(雌蕊的组成部分)[图1(B) ]。A、B、C 三大类基因都编码转录因子，在花原基的发育过程中会由外到内被逐个激活，从而确保正确的花器官在准确的时期出现。拟南芥花发育中所使用的这套机制与动物发育中基因表达系统类似。在果蝇中，不同的Hox (homeobox)转录因子控制着不同部位的发育，它们也类似ABC 模型，利用重叠的基因表达区域形成新的器官[13]。

除了在花发育中的发现外，近十年来，植物科学家们利用拟南芥模式系统，对植物不同组织和器官的发育开展了类似的研究。通过大量拟南芥突变体的分析，科学家们对植物根、茎、叶、花、胚胎和种子的发育，对植物抗病性和抗逆性机理，以及对各种生命活动有关的激素、光和环境因子引起的信号传导过程等进行了深入的研究，极大丰富了人类对于植物生命活动内在机理的认识。

microRNA(miRNA) 是拟南芥研究中近几年来最值得注意的热点之一。miRNA是高等真核生物中一类非翻译RNA, 由基因组编码。miRNA前体的转录过程与普通基因mRNA 的转录过程基本类似。不同的是，初始miRNA转录本(pri-miRNA)呈“发夹” 结构，然后通过不同酶的修饰最终形成“成熟” miRNA。成熟miRNA仅含有19~23 个碱基核苷酸，但是这些寡聚核苷酸却可以通过碱基配对与一些基因的mRNA结合，在一些酶的参与下破坏与之结合的mRNA或者干扰mRNA的正常翻译[14~15] 。miRNA最早于1993 年在线虫中发现[16]，在拟南芥中，大多数已经发现的miRNA都参与植物重要的生命活动，例如，植物的形态建成，RNA诱导的基因沉默以及植物对于逆境的适应性等[17~18]。近年来，通过对拟南芥的研究，科学家们获得了关于miRNA生物合成过程的新认识。在动物中已经报道了由RNA酶III 结构域的Drosha 蛋白和由RNA双链结合结构域的Pasha蛋白参与pri-miRNA的加工。拟南芥中也发现了Drosha 的同源蛋白DCL1 (含RNA 酶III结构域)和Pasha的同源蛋白HYL1(RNA双链结合结构域)[19~22]。最近的研究表明，拟南芥中除了DCL1 和HYL1之外，参与加工miRNA初始转录本的还有另一个必需蛋白SERRA TE(SE)[23]。SE 编码一个含“锌指”结构域的蛋白，在动物的pri-miRNA 加工过程中尚未发现。除此之外，在拟南芥miRNA的生物合成途径中还发现另一个重要的蛋白HEN1[19]，它的主要功能是使已经剪切成19~23 个碱基的miRNA末端的核糖被甲基化[24~25]。一般认为甲基化是为了防止miRNA的末端被其他酶所识别，从而保证了miRNA在细胞特定位置的稳定性[26]。以上这两项研究为完整认识高等生物中(包括动物和植物中)的miRNA生物合成过程提供了有价值的信息。

在拟南芥中除了干扰一些重要基因的mRNA的miRNA之外，最近还发现了另一类新的小分子RNA，称之为trans-acting siRNA(ta-siRNA)[27~30]。这种小分子RNA目前在动物中还没有相关的报道。ta-siRNA像miRNA那样来自于基因组中特定基因的转录。与miRNA不同，ta-siRNA的前体就如同普通的mRNA, 不像miRNA的前体那样形成“发夹” 结构，只是这种ta-siRNA的转录本不翻译蛋白，而只能在一些酶的参与下被加工形成小分子RNA。加工后的ta-siRNA会像miRNA那样作用于与之碱基配对的靶基因mRNA。目前，在拟南芥中总共发现了 5 个编码ta-siRNA的基因—— TAS1a、TAS1b、TAS1c、TAS2、TAS3 等，其中TAS3 产生的ta-siRNA参与叶片极性发育，并且调节植物营养生长阶段时间的长短[31~33]。

4展望

随着拟南芥全基因组测序工作的完成，对拟南芥的研究已经进入了“后基因组时代”。研究者们现在可以快速有效地利用多种手段去研究一个基因、一条调控途径乃至整个调控网络的生物学功能。2000 年，一些科学家提出了拟南芥的“2010 计划”[34]。他们设想到2010 年能够尽可能多地了解拟南芥中已知序列基因的功能，从而在数字水平上建立起一个模拟的“理想植物”，并将这种概念推广到所有植物中，这是一个宏伟的构想。作为模式生物，拟南芥为我们提供了一个契机。与动物相比，植物不能移动，因此植物的生长发育与环境的联系更为密切，它既需要不断地感受并适应外界的变化，同时又必须保持内部代谢的平衡和稳定，在某种程度上植物具有更为复杂的信号整合网络。在人们认识了一些基本的调控途径以及找到了这些途径中的元件之后，利用拟南芥这样的模式系统，将能够更快、更完整地了解植物生命过程的奥秘，造福于人类。

作为模式生物，拟南芥主要有以下几方面的优势：

第一，拟南芥的基因组在常见的植物模型中是最小的，总共大约有1.57亿个碱基，大约只有小麦的1/80。拟南芥的染色体数目也很少，只有五对同源染色体。这些特点对于基因的图位克隆是非常有利的。早在2000年，国际合作完成了拟南芥的全基因组测序和分析，并将全部信息放到The Arabidopsis Information Resource (TAIR)网站上供研究人员查询使用，在植物中也是第一个被完成的基因组。在后基因组时代，对拟南芥27 000个基因和35 000个编码蛋白的研究分析也已经取得了很大的进展，为下一步的研究奠定了基础（Meyerowitz，2001）。

第二，相比水稻、小麦、玉米等作物，拟南芥植株体积小，对环境的适应性强，能在普通MS培养基上生长，因此很容易在实验室或人工气候室内大量培养；它生活周期短，繁殖能力强，大大节省了实验时间。这些特征使得拟南芥作为遗传研究模型具有其它植物所不可比拟的优势。

第三，拟南芥还具有一些特殊的遗传特点。例如，自然条件下，拟南芥是严格的闭花自花传粉，基因高度纯合，使得基因的突变或者其他的遗传特征能够稳定的传递下去。另一方面，拟南芥又具有很强的可诱变性。目前已知可用于拟南芥人工诱变的方法包括物理的X-Ray、慢中子，化学的EMS，生物的T-DNA插入等，都能或得较高的突变率（Page 等，2002）。

第四，拟南芥研究的相关遗传手段和生化分子技术都已经比较成熟了。尤其是其基因图位克隆技术和转基因技术，对于拟南芥基因结构和功能的研究提供了很大便利，我们将在后面详细介绍。

第五，由于自然界中拟南芥分布广，种群大，提供了丰富的种质资源。数十年来，该领域的先驱们通过大量的工作收集和整理了数百种拟南芥的生态型和大量的突变体。尤其是运用高通量转化技术得到的T-DNA插入的突变体库，已经鉴定了300 000个独立的T-DNA插入株，几乎覆盖了所有的编码基因。这些插入突变株的种子免费供全世界的研究者使用，相关信息也可通过T-DNA database 网站查阅。最后，拟南芥的整个幼苗以及成苗的根都是半透明的，可以直接在光学显微镜下观察。还可以表达外源转化的荧光分子标签，通过荧光显微镜对其生长和发育过程中的细节进行实时动态研究。这些特点为拟南芥细胞学研究和遗传研究中的表型观察提供了便利。可见，拟南芥作为模式生物具有诸多优点，这些优点使得人们越来越接受其在各方面研究中的重要作用，从而推动了近二十年来植物学和农学研究的迅速发展。可以预见的是，在未来的一二十年中拟南芥仍将是最重要的植物模型，并为人们知识的进步做出更多贡献。